перфорированная конструкция обшивки для систем с ламинарным обтеканием

Формула изобретения

1. Устройство управления ламинарным течением, содержащее

наружную обшивку, имеющую множество перфорационных отверстий, проходящих через нее, и имеющую наружную поверхность, выполненную с возможностью воздействия на нее воздушного потока, включающего в себя воздушное течение пограничного слоя, проходящее вдоль указанной наружной поверхности; и

систему отсасывания, сообщающуюся с указанными перфорационными отверстиями со стороны указанной наружной обшивки, противоположной указанной наружной поверхности, и выполненную с возможностью отсасывания воздуха из воздушного течения пограничного слоя через указанные перфорационные отверстия;

при этом возмущения потока создаются в воздушном течении пограничного слоя вследствие отсасывания воздуха через указанные перфорационные отверстия;

отличающееся тем, что указанные перфорационные отверстия пространственно распределены с такой пространственной схемой расположения указанных перфорационных отверстий, что возмущения потока подвергаются интерференции с взаимным ослаблением, по меньшей мере, при одной или нескольких выбранных длинах волн.

2. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная пространственная схема расположения указанных перфорационных отверстий выполнена такой, что отсасывание воздуха через указанные перфорационные отверстия вызывает минимальное возбуждение неустойчивостей течения в воздушном течении пограничного слоя.

3. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная пространственная схема расположения указанных перфорационных отверстий имеет пространственный спектр, по существу, с отсутствием энергии при указанной одной или нескольких выбранных длинах волн.

4. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная одна или несколько выбранных длин волн соответствуют длинам волн течения заранее заданных неустойчивостей течения, возникающих в воздушном течении пограничного слоя.

5. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная одна или несколько выбранных длин волн соответствуют длинам волн течения при заранее заданных неустойчивых режимах потока, возникающих в воздушном течении пограничного слоя в определенном месте в направлении хорды, в котором, по меньшей мере, выбранная часть указанной пространственной схемы расположения перфорационных отверстий расположена на указанной наружной обшивке.

6. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная пространственная схема расположения включает в себя, по меньшей мере, один удлиненный, проходящий в продольном направлении пучок из, по меньшей мере, одного проходящего в продольном направлении ряда указанных перфорационных отверстий, которые представляют собой соответствующие микрощели, каждая из которых имеет длину в диапазоне от 100 до 3000 мкм и ширину в диапазоне от 50 до 250 мкм.

7. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная пространственная схема расположения включает в себя множество удлиненных, проходящих в продольном направлении пучков перфорационных отверстий, при этом указанные пучки расположены параллельно друг другу и расположены на определенном расстоянии друг от друга с соответствующими большими неперфорированными зонами обшивки между ними и каждый из указанных пучков включает в себя множество проходящих в продольном направлении рядов указанных перфорационных отверстий, причем указанные ряды расположены параллельно друг другу в группах из соседних рядов из указанных рядов, соответственно имеющих указанные перфорационные отверстия, расположенные в шахматном порядке относительно друг друга, и с меньшими неперфорированными зонами обшивки между соседними группами из указанных групп рядов в пределах каждого из указанных пучков.

8. Устройство управления ламинарным течением по п.7, отличающееся тем, что указанные группы рядов в соответствующем одном из указанных пучков соответственно включают в себя различные количества указанных рядов указанных перфорационных отверстий.

9. Устройство управления ламинарным течением по п.1, отличающееся тем, что указанная пространственная схема расположения включает в себя множество удлиненных, проходящих в продольном направлении пучков перфорационных отверстий, каждый из которых включает в себя множество продольных рядов указанных перфорационных отверстий, причем указанные пучки расположены параллельно друг другу и расположены на определенном расстоянии друг от друга с неперфорированными зонами обшивки между ними, и причем указанные ряды указанных перфорационных отверстий расположены относительно друг друга с возможностью обеспечения указанной интерференции с взаимным ослаблением, и указанные пучки перфорационных отверстий расположены относительно друг друга с возможностью обеспечения указанной интерференции с взаимным ослаблением.

10. Поверхность управления ламинарным течением, открытая для воздействия воздушного течения пограничного слоя, причем указанная поверхность управления включает в себя

наружную обшивку с множеством основных перфорационных отверстий, проходящих насквозь через указанную обшивку;

систему отсасывания, соединенную с указанной наружной обшивкой для отсасывания воздуха из указанного воздушного течения пограничного слоя через указанные основные перфорационные отверстия;

причем указанные основные перфорационные отверстия пространственно распределены с такой пространственной схемой расположения указанных основных перфорационных отверстий, что возмущения потока подвергаются интерференции с взаимным ослаблением, по меньшей мере, при одной или нескольких выбранных длинах волн для обеспечения минимального возбуждения неустойчивостей течения в указанном воздушном течении пограничного слоя.

11. Поверхность управления ламинарным течением, открытая для воздействия воздушного течения пограничного слоя, причем указанная поверхность управления включает в себя

наружную обшивку с множеством основных перфорационных отверстий, проходящих насквозь через указанную обшивку;

систему отсасывания, соединенную с указанной наружной обшивкой для отсасывания воздуха из указанного воздушного течения пограничного слоя через указанные основные перфорационные отверстия;

причем указанные основные перфорационные отверстия имеют пространственный спектр, по существу, с отсутствием энергии при заранее заданных длинах волн, так что возмущения в указанном воздушном течении пограничного слоя, вызванные указанным отсасыванием указанного воздуха через указанные основные перфорационные отверстия, по меньшей мере, частично гасят друг друга за счет интерференции с взаимным ослаблением при указанных заранее заданных длинах волн.

12. Летательный аппарат, имеющий аэродинамический профиль, который включает в себя переднюю кромку и наружную обшивку с наружной поверхностью, приспособленной для того, чтобы иметь воздушное течение пограничного слоя, проходящее вдоль нее, и который имеет перфорационные отверстия, сообщающиеся через указанную наружную обшивку с указанной наружной поверхностью, отличающийся тем, что указанные перфорационные отверстия расположены в пространстве в удлиненных пучках указанных перфорационных отверстий, указанные пучки проходят в продольном направлении, по существу, параллельно указанной передней кромке и друг другу, и указанные пучки отделены в поперечном направлении друг от друга соответствующими большими неперфорированными зонами обшивки, расположенными между ними, и каждый из указанных пучков включает в себя множество проходящих в продольном направлении рядов указанных перфорационных отверстий, причем указанные основные перфорационные отверстия пространственно распределены с такой пространственной схемой расположения указанных перфорационных отверстий, что возмущения потока подвергаются интерференции с взаимным ослаблением, по меньшей мере, при одной или нескольких выбранных длинах волн для обеспечения минимального возбуждения неустойчивостей течения в указанном воздушном течении пограничного слоя.

13. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что каждое из указанных перфорационных отверстий представляет собой удлиненную щель, имеющую длину в интервале от 100 до 3000 мкм и ширину в интервале от 50 до 250 мкм.

14. Летательный аппарат по п.13, отличающийся тем, что указанная длина не превышает 500 мкм.

15. Летательный аппарат по п.13, отличающийся тем, что указанная длина не превышает 300 мкм.

16. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что каждое из указанных перфорационных отверстий соответствующего одного из указанных пучков представляет собой удлиненную щель, имеющую длинную ось, ориентированную параллельно продольному направлению протяженности указанного соответствующего пучка.

17. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что каждое из указанных перфорационных отверстий соответствующего одного из указанных пучков представляет собой удлиненную щель, имеющую длинную ось, ориентированную перпендикулярно продольному направлению протяженности указанного соответствующего пучка.

18. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что каждое из указанных перфорационных отверстий соответствующего одного из указанных пучков представляет собой удлиненную щель, имеющую длинную ось, ориентированную под косым углом относительно продольного направления протяженности указанного соответствующего пучка.

19. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что указанные перфорационные отверстия представляют собой удлиненные щели, имеющие длинные оси, которые ориентированы параллельно друг другу в пределах каждого соответствующего одного из указанных пучков, и указанные длинные оси указанных щелей первого из указанных пучков ориентированы в направлении, отличающемся от направления ориентирования указанных длинных осей указанных щелей второго из указанных пучков.

20. Летательный аппарат по п.19, отличающийся тем, что указанные длинные оси указанных щелей каждого соответствующего одного из указанных пучков ориентированы, по существу, перпендикулярно направлению локального течения воздушной струи пограничного слоя, проходящей над указанным соответствующим пучком.

21. Летательный аппарат по п.19, отличающийся тем, что указанные длинные оси указанных щелей каждого соответствующего одного из указанных пучков ориентированы, по существу, параллельно направлению локального течения воздушной струи пограничного слоя, проходящей над указанным соответствующим пучком.

22. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что указанные ряды указанных перфорационных отверстий в соответствующем одном из указанных пучков расположены в виде множества параллельных групп рядов из соседних рядов из указанных рядов, соответственно имеющих указанные перфорационные отверстия, расположенные в шахматном порядке относительно друг друга, и с меньшими неперфорированными зонами обшивки между соседними группами из указанных групп рядов в пределах указанного соответствующего пучка.

23. Летательный аппарат по п.22, отличающийся тем, что первая из указанных групп рядов в пределах указанного соответствующего пучка имеет другие длину, ширину, ориентацию, интервал, периодичность, расположение в шахматном порядке, количество или схему расположения указанных перфорационных отверстий при сравнении со второй из указанных групп рядов в пределах указанного соответствующего пучка.

24. Летательный аппарат по п.23, отличающийся тем, что указанные перфорационные отверстия представляют собой отверстия с круглым поперечным сечением.

25. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя систему отсасывания, которая сообщается с указанными перфорационными отверстиями и которая выполнена с возможностью отсасывания воздуха из воздушного течения пограничного слоя через указанные перфорационные отверстия так, что возмущения потока создаются в воздушном течении пограничного слоя вследствие отсасывания воздуха через указанные перфорационные отверстия, и указанные перфорационные отверстия пространственно распределены в соответствии с пространственной схемой расположения, по меньшей мере, в одном из указанных пучков таким образом, что возмущения потока подвергаются интерференции с взаимным ослаблением друг друга, по меньшей мере, при одной или нескольких выбранных длинах волн.

26. Летательный аппарат по п.25, отличающийся тем, что указанная пространственная схема расположения указанных перфорационных отверстий имеет пространственный спектр, по существу, с отсутствием энергии при указанной одной или нескольких выбранных длинах волн.

27. Летательный аппарат по п.25, отличающийся тем, что указанная одна или несколько выбранных длин волн соответствуют длинам волн течения заранее заданных неустойчивостей течения, возникающих в воздушном течении пограничного слоя.

28. Летательный аппарат по п.12, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя конструктивно поддерживающие нервюры, проходящие вдоль указанной наружной обшивки и присоединенные к указанной наружной обшивке с ее стороны, противоположной указанной наружной поверхности, в указанных больших неперфорированных зонах обшивки.

29. Летательный аппарат по п.28, отличающийся тем, что указанная наружная обшивка и указанные нервюры образуют одно целое друг с другом и вместе образуют изготовленный за одно целое единый компонент.

30. Летательный аппарат по п.28, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя внутреннюю пластину, присоединенную к указанным нервюрам напротив и на определенном расстоянии от указанной наружной обшивки, в результате чего образуются каналы для прохода воздуха, соответственно ограниченные между указанной наружной обшивкой, указанной внутренней пластиной и соответствующими соседними нервюрами из указанных нервюр, причем указанная внутренняя пластина имеет отверстия, сообщающиеся через нее с указанными каналами для прохода воздуха, и указанные отверстия создают различные соответствующие общие пористости из указанных отверстий, сообщающиеся с другими каналами из указанных каналов для прохода воздуха.

31. Аэродинамическая поверхность, поддерживающая воздушное течение пограничного слоя, при этом указанная поверхность имеет переднюю ведущую кромку и имеет, по меньшей мере, часть указанной наружной поверхности, представляющую собой поверхность управления ламинарным течением, открытую для воздействия указанного воздушного течения пограничного слоя, причем указанная поверхность управления включает в себя

наружную обшивку с множеством основных перфорационных отверстий, проходящих сквозь указанную наружную обшивку;

систему отсасывания, соединенную с указанной наружной обшивкой для отсасывания воздуха из указанного воздушного течения пограничного слоя через указанные основные перфорационные отверстия, в результате чего создаются возмущения в указанном воздушном течении пограничного слоя;

причем указанные основные перфорационные отверстия образуют множество расположенных на определенном расстоянии друг от друга, продольных перфорированных зон, выровненных, по существу, параллельно указанной передней кромке указанного аэродинамического профиля и отделенных друг от друга неперфорированными зонами поверхности, при этом, по меньшей мере, одна из указанных продольных перфорированных зон имеет основные перфорационные отверстия, распределенные так, чтобы обеспечить интерференцию указанных возмущений с взаимным ослаблением, при этом указанная интерференция с взаимным ослаблением происходит по ходу потока за указанной, по меньшей мере, одной из указанных продольных перфорированных зон при заранее заданных длинах пространственных волн.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Данная заявка базируется на предварительной заявке на патент США 60/373 653, поданной 18 апреля 2002, и притязает на приоритет данной заявки в соответствии с Разделом 35 Кодекса законов США, §119(е), и статьей 8 РСТ, при этом содержание указанной заявки включено в данное описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к созданию конструкции перфорированной обшивки для применения управления ламинарным потоком посредством отсасывания воздуха из пограничного слоя.

ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В данной области техники широко известно, что на условия ламинарного течения пограничного слоя текучей среды, обтекающей поверхность тела, могут влиять различные устройства. Кроме того, известно, что стабилизация условий ламинарного течения пограничного слоя может обеспечить уменьшение возникающего в результате поверхностного трения между текучей средой и телом. Это в особенности относится, например, к области конструирования летательных аппаратов, в которой улучшение условий ламинарного течения пограничного слоя и возникающее в результате меньшее поверхностное трение могут привести к потенциальной экономии топлива при работе летательного аппарата.

По этим причинам применение поверхностного отсасывания через пористую или перфорированную поверхность для стабилизации ламинарного пограничного слоя текучей среды, протекающей по или относительно поверхности, широко изучалось в течение многих десятилетий. Применительно к самолетам гражданской авиации известные устройства управления ламинарным течением, как правило, должны работать с максимальной эффективностью только при одних условиях, а именно при условиях полета на крейсерской скорости, и, таким образом, предназначены, в первую очередь, для этого рабочего режима.

Предпочтительным считалось применение поверхностного отсасывания посредством преднамеренно перфорированной поверхности, а не пористой поверхности, вследствие регулирования характеристик поверхности, которое может быть обеспечено за счет преднамеренного образования перфорационных отверстий, например, с заданными размерами, схемами расположения и расстояниями между ними. Известно образование таких перфорационных отверстий посредством сверления при механообработке, травления, прошивки отверстия электронным лучом или прошивки отверстий лазерным лучом. Типовые обычные конструкции перфорационных отверстий позволяют получить перфорационные отверстия, которые представляют собой по существу малые отверстия с круглыми формами в плане или круглыми формами сечения, с диаметром, который значительно меньше толщины пограничного слоя, обтекающего поверхность. Типовые диаметры перфораций или отверстий обычно находятся в диапазоне от 50 до 100 мкм. Типовые обычные расстояния между соседними перфорационными отверстиями находятся в диапазоне от 200 до 5000 мкм.

В соответствии с известным уровнем техники отверстия или перфорации, как правило, предусмотрены со схемами их расположения, которые являются правильными и пространственно повторяющимися или аналогичными (например, по существу инвариантный относительно переноса) на больших участках поверхности. Примерами таких схем расположения являются шахматные конфигурации или сетки линейных рядов отверстий по существу с равным расстоянием между соседними отверстиями в каждом ряду и по существу одинаковым расстоянием от ряда до ряда. Плотность перфорационных отверстий, как правило, является постоянной для удобства механической обработки и т.п., но рассматривались преимущества пространственно изменяющейся пористости. Например, в патенте США 5 263 667 (Horstman) описана прямолинейная схема расположения перфорационных отверстий с пространственно изменяющейся плотностью перфорационных отверстий, выполненная с целью обеспечения по существу постоянной скорости отсасывания в зоне изменяющегося внешнего давления.

Нижеуказанные патенты США также по существу относятся к области управления пограничным слоем путем отсасывания: 5 884 873, 5 899 416, 6 050 523, 6 216 982 и 6 415 510.

Все известные схемы расположения перфорационных отверстий, описанные в работах, относящихся к известному уровню техники, являются общими в том смысле, что они не определяются исходя из какой-либо информации, относящейся к конструкции, форме, параметрам течения или в особенности неустойчивостям течения пограничного слоя, который обтекает перфорированную поверхность, и не отражают и не содержат подобной информации. Поскольку уменьшение и устранение таких неустойчивостей течения представляет собой главную задачу системы управления ламинарным течением в том виде, как она была осмыслена и разработана автором настоящего изобретения, было установлено, что все уже существующие или предложенные схемы расположения перфорационных отверстий обычных систем поверхностного отсасывания дают или неэффективные, или приводящие к нарушению функций результаты управления ламинарным течением. Основная причина такой неэффективности обусловлена физическими процессами, определяющими неустойчивость пограничного слоя.

Как известно специалистам в данной области техники, течения в пограничном слое, развивающиеся над стреловидным крылом, стреловидным вертикальным стабилизатором или стреловидным горизонтальным стабилизатором летательного аппарата, имеют три составляющие скорости и поэтому названы трехмерными течениями в пограничном слое. В то время как на переход ламинарного течения в турбулентное в двумерных пограничных слоях преобладающее влияние оказывают бегущие волны, известные как Tollmien-Schlichting-волны (TS-волны), трехмерные пограничные слои отличаются высокой неустойчивостью по отношению к вихрям установившегося поперечного потока (CF вихри), которые оказывают преобладающее влияние на процесс перехода ламинарного течения в турбулентное в условиях трехмерного потока.

Эксперименты показали, что отсасывание посредством обычной схемы расположения перфорационных отверстий в трехмерном пограничном слое имеет два противоположных эффекта, а именно эффект стабилизации благодаря изменению профиля средних скоростей и эффект нарушения устойчивости вследствие возбуждения вихрей установившегося поперечного потока из-за изменений и неравномерности распределения отсасывания. В этой связи см. работу H. Bippes (1999) "Basic experiments on transition in 3D boundary layers dominated by crossflow instability", Progress in Aerospace Sciences 35: 363-412, и работу D. Arnal, A. Seraudie, J.P. Archambaud "Influence of surface roughness and of suction on the receptivity of a swept-wing boundary layer", Laminar-Turbulent Transition, IUTAM Symposium, Sedona AZ, Sept. 13-17, 1999, Springer, 2000. Также было установлено путем исследования, что существует четкое ограничение степени отсасывания, которое может быть использовано для трехмерных пограничных слоев, при выходе за границы которого течение вблизи каждого отверстия становится достаточно "искаженным", чтобы заставить поток подвергнуться немедленному и необратимому переходу к турбулентности. Этот эффект называется "чрезмерным отсосом". В этой связи см. работу P. Wasserman и M. Kloker "DNS-investigations of the development and control of cross-flow vortices in a 3-D boundary-layer flow", Laminar-Turbulent Transition, IUTAM Symposium, Sedona AZ, Sept. 13-17, 1999, Springer, 2000.

При любой степени отсасывания схема расположения отверстий оказывает преобладающее влияние на неравномерность распределения отсасывания. Для значений отсасывающей силы ниже уровня "чрезмерного отсоса" автор настоящего изобретения ранее привел формулу для определения составляющих волнового числа распределения отверстий по поверхности, которые являются наиболее действенными при стимулировании неустойчивых состояний пограничного слоя. См. работу F. P. Bertolotti (2000), "Receptivity of three-dimensional boundary layers to localized wall roughness and suction", Phys. Fluids, Vol. 12, Number 7, pg. 1799-1809. В большинстве обычных случаев расстояние между соседними отверстиями меньше наименьшей длины волны усиленных возмущений. Теоретические результаты, полученные при допущении об идеально равномерном распределении отсасывания у стенки в пространстве, показывают, что как Tollmien-Schlichting-волны, так и вихри поперечного потока в сильной степени стабилизируются за счет отсасывания в отличие от вышеупомянутых экспериментальных полученных данных. Причину усматривают в изменениях или неравномерности фактического распределения отсасывания в экспериментах в результате различных явлений, которые приводят к нежелательным и неблагоприятным изменениям картины распределения отсасывания. А именно, автор настоящего изобретения считает, что следующие явления приводят к появлению таких нежелательных и неблагоприятных изменений в картине распределения отсасывания:

а) неизбежные неточности и допуски при прошивке отверстий или механической обработке, которые очень сильно влияют на общую эффективность управления ламинарным течением;

b) забивание перфорационных отверстий загрязняющим веществом или веществом в виде частиц во время работы;

с) блокирование перфорационных отверстий конструкцией, служащей опорой перфорированной обшивке;

d) неравномерность отсасывания во внутренних камерах отсоса, обеспечивающих приложение отсасывающей силы к перфорированной обшивке;

е) изменения внешнего давления в направлении хорды и

f) искажения течения вблизи перфорационного отверстия вследствие больших скоростей отсасывания.

Среди вышеупомянутых явлений явления, указанные под пунктами а), b) и с), приводят к изменениям геометрических характеристик перфорационных отверстий, в то время как явления, указанные под пунктами d), e) и f), вызывают изменения отсасывающей силы и условий течения. Все эти явления приводят к нежелательным изменениям картины отсасывания. Кроме того, эти явления могут иметь следствия, "взаимодействующие" друг с другом. Например, когда используется только одна камера отсоса или только небольшое количество камер отсоса под перфорированной обшивкой, явление е) сильно влияет на перепад давлений на обшивке и может привести к возникновению "чрезмерного отсоса" в некоторых местах, что приводит к искажениям потока в соответствии с явлением f).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С учетом вышеизложенного задачей изобретения является достижение следующих целей по отдельности или в сочетании:

обеспечить форму перфорационного отверстия и схему распределения перфорационных отверстий для устройства управления ламинарным течением, в котором используется отсасывание, которые позволяют преодолеть вредные или отрицательные последствия следующих явлений:

а) неизбежных ошибок прошивки отверстий или механической обработки;

b) забивания перфорационных отверстий;

с) блокирования конструкцией, служащей опорой перфорированной обшивке;

d) неравномерного отсасывания во внутренних камерах отсоса и

е) искажений потока вблизи перфорационного отверстия вследствие больших скоростей отсасывания;

обеспечить конструкцию перфорированной обшивки, которая компенсирует внешние изменения внешнего давления в направлении хорды;

обеспечить конструкцию перфорированной обшивки, которая обладает конструктивной жесткостью и позволяет избежать значительного ослабляющего влияния перфорационных отверстий; и

обеспечить конструкцию перфорированной обшивки, которая имеет высокую теплопроводность.

Кроме того, целью изобретения является избежание или преодоление недостатков конструкцией по известному уровню техники и обеспечение дополнительных преимуществ, которые очевидны из настоящего описания, формулы изобретения, реферата и чертежей.

Вышеуказанные цели были достигнуты согласно изобретению посредством устройства управления ламинарным течением, включающего в себя перфорированную обшивку, выполненную с многочисленными перфорационными отверстиями, расположенными в виде схемы, имеющей пространственный спектр по существу с отсутствием энергии на заранее заданных длинах волн. Выражение "по существу с отсутствием энергии" следует понимать применительно к дополнительной максимальной энергии, превышающей средний фоновый энергетический уровень "шумов", возникающий из-за неизбежных неточностей механической обработки и т.п. Предпочтительно указанные заранее заданные длины волн представляют собой длины волн с заранее заданных неустойчивостей потока и в особенности наиболее нестабильных возмущений, возникающих в пограничном слое, обтекающем перфорированную обшивку, в частности при расчетных условиях работы устройства управления ламинарным течением, таких как условия полета летательного аппарата на крейсерской скорости для соответствующего летательного аппарата.

Предпочтительный вариант осуществления или вид изобретенной схемы расположения и формы перфорационных отверстий включает в себя множество простирающихся в продольном направлении перфорированных зон или групп рядов перфорационных отверстий, которые расположены на определенном расстоянии друг от друга и которые здесь названы "пучками (рядов)". Наиболее предпочтительно, если эти проходящие в продольном направлении пучки выровнены по существу параллельно (например, в пределах 10° - предпочтительно 5° от параллели) переднему краю поверхности, выполненной с перфорационными отверстиями, например перфорированной обшивки аэродинамического профиля. Выражение "по существу параллельно" также допускает небольшую сходимость пучков относительно друг друга от корневой части до концевой части аэродинамического профиля, например, в направлении сужения аэродинамического профиля. Пучки отделены друг от друга в поперечном направлении неперфорированными зонами.

Каждый пучок включает в себя множество перфорационных отверстий, расположенных так, чтобы обеспечить пространственный спектр каждого соответствующего пучка, который имеет уменьшенную энергию или предпочтительно лишен энергии (свыше общего или среднего энергетического уровня "шумов") при заранее заданных длинах волн. Это в особенности достигается путем размещения перфорационных отверстий заданного пучка так, чтобы возмущения в потоке, создаваемые вследствие отсасывания через несколько перфорационных отверстий из пучка, взаимно гасили друг друга или, по меньшей мере, приводили к взаимному ослаблению друг друга за счет интерференции с взаимным ослаблением при этих заранее определенных длинах волн. Предпочтительно данные длины волн представляют собой длины волн наиболее неустойчивых возмущений, возникающих в пограничном слое, обтекающем перфорированную обшивку. Предпочтительно каждое перфорационное отверстие имеет форму удлиненной микрощели, имеющей ширину в диапазоне от 50 до 250 мкм и длину в диапазоне от 100 до 3000 мкм.

В соответствии с дополнительным признаком варианта осуществления изобретения устройство управления ламинарным течением дополнительно включает в себя поддерживающую конструкцию, которая расположена под перфорированной наружной обшивкой и служит ей опорой. Поддерживающая конструкция предпочтительно конструктивно объединена с наружной перфорированной обшивкой, например присоединена к наружной перфорированной обшивке, только в неперфорированных зонах поверхности между соответствующими пучками рядов перфорационных отверстий. В особо предпочтительном варианте осуществления поддерживающая конструкция включает в себя продольные нервюры, проходящие параллельно соседним пучкам. В соответствии с дополнительным предпочтительным признаком изобретения поддерживающая конструкция дополнительно включает в себя внутренний перфорированный элемент, такой как перфорированный внутренний пластинообразный элемент, конструктивно объединенный с нервюрами внизу и расположенный на определенном расстоянии от перфорированной наружной обшивки для образования камер, соответственно ограниченных перфорированной наружной обшивкой, соседними парами нервюр и внутренним перфорированным элементом. Внутренний перфорированный элемент имеет вторые перфорационные отверстия, которые позволяют образовать внутреннюю поверхность с заранее заданной и изменяющейся пористостью для компенсации изменений внешнего давления и тем самым обеспечить заданную скорость отсасывания через перфорированную поверхность обшивки во всех местах в направлении хорды. В частности, отсасывающая сила будет приложена к стороне внутреннего перфорированного элемента, противоположной по отношению к наружной перфорированной обшивке, так чтобы приложить отсасывающую силу к камерам, что, в свою очередь, приводит к приложению отсасывающей силы к основным перфорационным отверстиям перфорированной наружной обшивки. И внутренний перфорированный элемент, и наружная перфорированная обшивка соединен(-а) с нервюрами любым пригодным образом, но предпочтительно они могут быть выполнены за одно целое, например, путем экструзии в виде целостного элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для обеспечения возможности более четкого понимания изобретения оно будет описано далее в связи с приведенными в качестве примера вариантами осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

фиг.1 представляет собой схематичный вид в перспективе части передней кромки аэродинамического профиля, выполненного в соответствии с изобретением, показывающий систему координат, используемую для отсчета;

фиг.2 представляет собой диаграмму устойчивости, показывающую зависимость волнового числа в направлении вдоль размаха крыла от длины дуги вдоль поверхности аэродинамического профиля типичного летательного аппарата при полете на крейсерской скорости;

фиг.3 представляет собой график, показывающий дисперсионные соотношения волновых чисел в выбранных местах в направлении хорды в связи с примером по фиг.2;

фиг.4 представляет собой схематичный вид в плане, показывающий типовую обычную перфорацию или отверстие, имеющее круглую форму, а также типовое перфорационное отверстие в виде микрощели согласно изобретению, имеющее удлиненную форму;

фиг.5 представляет собой графическое изображение амплитуд скорости для трех приведенных в качестве примера схем расположения отсасывающих перфорационных отверстий, а именно для одного ряда обычных отверстий в случае (а) и случае (b) и одного ряда микрощелей по изобретению в случае (с);

фиг.5А показывает результаты преобразования Фурье для трех схем расположения отсасывающих перфорационных отверстий, связанных с фиг.5;

фиг.6 представляет собой схематичный вид в плане одного пучка или продольной полоски из нескольких рядов микрощелей в соответствии с изобретением, также показанной на увеличенном изображении, с длинной осью микрощелей, совпадающей с продольным направлением пучка;

фиг.6А представляет собой вид, аналогичный виду по фиг.6, но показывающий микрощели с их длинными осями, ориентированными под заранее заданным косым углом непараллельно и неперпендикулярно по отношению к продольному направлению пучка;

фиг.6В представляет собой дополнительный вид, аналогичный видам по фиг.6 и 6А, но показывающий расположение круглых микроотверстий в соответствии с пространственной схемой расположения согласно изобретению;

фиг.7 представляет собой трехмерное графическое изображение результата двойного преобразования Фурье для спектра, создаваемого одним пучком рядов микрощелей согласно изобретению, подобным показанному на фиг.6;

фиг.7А представляет собой графическое изображение, аналогичное графическому изображению по фиг.7, но показывающее результат двойного преобразования Фурье для спектра, создаваемого одним пучком рядов микрощелей, ориентированных в соответствии с фиг.6А;

фиг.8 представляет собой трехмерное графическое изображение, показывающее пространственный спектр обычной схемы расположения и распределения отсасывающих отверстий, подобных показанным на виде в плане в верхней части фигуры;

фиг.9 представляет собой диаграмму спектра, по существу соответствующую фиг.7А, для определенных приведенных в качестве примера параметров перфорационных отверстий, относящихся к схеме расположения перфорационных отверстий в виде микрощелей согласно изобретению, которая показана на виде в плане в верхней части фигуры;

фиг.10 представляет собой схематичный вид в перспективе части зоны передней кромки аэродинамического профиля летательного аппарата, имеющей множество параллельных расположенных на определенном расстоянии друг от друга пучков рядов микрощелей, при этом микрощели расположены с разной ориентацией в разных местах в направлении хорды, а именно соответственно расположены по существу перпендикулярно к локальной ориентации линии обтекания потенциального потока в каждом месте в направлении хорды, как показано на увеличенных подробных изображениях фигуры;

фиг.11 представляет собой схематичное сечение части конструкции аэродинамического профиля по изобретению, включающей в себя наружную перфорированную обшивку и поддерживающую конструкцию, включающую в себя продольные нервюры; и

фиг.12 представляет собой схематичный местный вид в перспективе с разрезом, аналогичный виду по фиг.11, но показывающий другой вариант осуществления конструкции аэродинамического профиля в соответствии с изобретением, дополнительно включающей в себя перфорированный внутренний пластинчатый элемент для компенсации давления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИВЕДЕННЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРА ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение далее будет описано в связи с примером, относящимся к аэродинамическому профилю, такому как вертикальный стабилизатор или основное несущее крыло летательного аппарата, которые представляют собой высокоэффективные и предпочтительные зоны применения изобретения. В качестве базы для дальнейшего рассмотрения фиг.1 схематично показывает базовую геометрию типичного аэродинамического тела 40, такого как часть аэродинамического профиля несущего крыла или т.п. летательного аппарата. Аэродинамическое тело 40 имеет наружную обшивку 100 и переднюю кромку 50. Когда это аэродинамическое тело 40, или в особенности аэродинамический профиль 40, движется сквозь воздух, свободный воздушный поток сталкивается с аэродинамическим телом 40 и "скользит" по аэродинамическому телу 40, тем самым создавая воздушный поток пограничного слоя над наружной обшивкой 100. Аэродинамическое тело 40 и, в частности, его передняя кромка 50 расположены под углом прямой стреловидности относительно направления свободного воздушного потока, и, следовательно, воздушный поток присоединяется вдоль передней кромки 50 с образованием линии 62 обтекания прямолинейной формы, проходящей параллельно передней кромке.

Для отсчета на фиг.1 дополнительно показана система координат, в которой "z" обозначает направление вдоль передней кромки (направление вдоль размаха крыла) и "x" обозначает направление, перпендикулярное к передней кромке (направление по хорде). Вследствие прямой стреловидности, упомянутой выше, линии обтекания воздушного потока за пределами пограничного слоя (потенциального потока), которые "отталкиваются" от линии 62 присоединения непосредственно вдоль передней кромки 50, создают криволинейную траекторию потока, показанную кривой пунктирной линией 60.

На картине потоков также показан усиленный вихрь поперечного потока с волновым вектором k, локально ориентированным по существу перпендикулярно к криволинейной траектории линии 60 свободного обтекания. Этот волновой вектор k состоит из составляющей с волновым числом в направлении z вдоль размаха крыла и составляющей с волновым числом _r в направлении x хорды. Для каждой величины величина _r задается волновым дисперсионным отношением, которое может быть определено экспериментально или путем вычислений обычным известным образом для соответствующих условий течения [параметров потока] в каждом соответствующем месте в направлении хорды заданного аэродинамического профиля.

Исходя из этих базовых моментов и соображений, рассмотренных в связи с фиг.1, основные отличительные признаки изобретения сначала будут теоретически разработаны в нижеприведенном описании, и затем будут описаны определенные конкретные примеры и случаи их применения.

На фиг.2 и 3 показаны соответствующие зоны устойчивых и неустойчивых длин волн в направлении вдоль размаха крыла и волновые числа для вихрей установившегося поперечного потока в зависимости от места в направлении хорды (то есть длины дуги вдоль поверхности аэродинамического профиля) для случая полета типичного, приведенного в качестве примера крыла летательного аппарата на крейсерской скорости и высоте. Фактические числовые значения даны только в качестве типового примера и являются второстепенными по важности для идей и процедур, которые должны быть описаны. Таким образом, более точно, на фиг.2 показана диаграмма устойчивости для возмущений установившегося поперечного потока в зависимости от волновых чисел потока в направлении вдоль размаха крыла относительно мест x/c в направлении хорды рядом с передней кромкой 50. Также показана выраженная в миллиметрах длина волны колебаний установившегося поперечного потока. В данном примере волновое число колебания установившегося поперечного потока в направлении вдоль размаха крыла остается по существу постоянным, когда он распространяется дальше по ходу течения, в то время как его волновое число _r в направлении хорды изменяется так, что волновой вектор k остается по существу нормальным (в пределах 5-10°) к линии 60 обтекания свободного потока (см. фиг.1). На фиг.3 показаны дисперсионные соотношения между и _r в выбранных местах ниже по ходу течения. Фиг.2 и 3 совместно предоставляют информацию о волновых числах, необходимую для создания конструкции по настоящему изобретению.

Как было в общих чертах рассмотрено выше, неточности или допуски при прошивке отверстий и механической обработке, а также забивание перфорационных отверстий оказывают существенное влияние на спектр, то есть на распределение длин волн характеристик отсасываемой части потока вокруг перфорационных отверстий. Для приводимого в настоящем описании демонстрационного примера, предназначенного для иллюстрации данных эффектов, приняты следующие довольно обычные допуски: прошивка отверстий +/- 15 мкм и размещение центров отверстий +/- 20 мкм. Кроме того, на основе осмотра перфорированной обшивки после использования как в аэродинамической трубе, так и при применении летательного аппарата было установлено, что большое количество отверстий оказываются засоренными материалом в виде макрочастиц и загрязняющими частицами. Для настоящего примера приняты обычные уровни засоренности от 10 до 14% (то есть от 1 на 10 отверстий до 1 на 7 отверстий оказываются забитыми).

Наличие этих допусков на механическую обработку, а также забивание приводят к изменениям в распределении отсасывания при всех длинах волн. Поскольку энергия при данных длинах волн пропорциональна максимальной скорости отсасывания через отверстие или перфорационное отверстие, самый простой способ уменьшения отрицательного влияния неточностей при прошивке отверстий состоит в увеличении общей пористости и тем самым уменьшении максимальной скорости отсасывания для заданного суммарного отсасываемого воздушного потока. Что касается забивания, то использование щелей вместо круглых отверстий приводит к снижению остроты проблемы забивания, но удлиненные щели или пазы, имеющие значительную длину, оказывают вредное воздействие и, как правило, неприемлемы, поскольку они приводят к существенному снижению способности наружной обшивки выдерживать напряжения.

Изобретение позволяет преодолеть вышеуказанные проблемы путем использования "микрощелей" или "микропазов" 200 (см. фиг.4). Микрощели 200 по изобретению имеют по существу продолговатую форму в плане с длиной приблизительно 250 мкм и шириной приблизительно 70 мкм в настоящем примере. Как правило, микрощели согласно изобретению могут иметь длину в диапазоне от 100 до 3000 мкм, более предпочтительно фактическую максимальную длину 500 мкм и предпочтительную максимальную длину от 200 до 300 мкм, и ширину в диапазоне от 50 до 250 мкм и предпочтительную ширину у нижней границы данного диапазоне, например ширину, составляющую не более 100 или не более 80 мкм. Общая пористость, то есть отношение площади пропускного сечения отверстий к общей площади поверхности, предпочтительно составляет до приблизительно 10%, но практически предпочтительно приблизительно 5%. В сравнении с небольшими круглыми отверстиями по известному уровню техники, также показанными на фиг.4, микрощели 200, предпочтительно используемые согласно изобретению, обеспечивают большую площадь пропускного сечения и поэтому хорошо подходят для получения несколько более высоких уровней пористости, при этом удлиненная форма также делает вероятность забивания микрощелей 200 значительно меньшей по сравнению с вероятностью забивания небольших круглых отверстий. С другой стороны, длина микрощелей ограничена для избежания существенного снижения способности перфорированной наружной обшивки выдерживать нагрузки, которое имело бы место при более длинных щелях.

При дальнейшей разработке данного примера оптимизированная схема расположения перфорационных отверстий может быть создана за счет того, что сначала предусматривают использование простого единственного линейного ряда микрощелей 200, при этом длинная ось каждой микрощели 200 выровнена относительно продольного направления, в котором проходит ряд. Альтернативные схемы расположения со щелями, ориентированными под заранее заданным углом относительно направления 60 локального свободного потока, предпочтительны рядом с передней кромкой 50 аэродинамического тела 40 (как будет дополнительно рассмотрено ниже в связи с фиг.6 и 6А) и в случаях высоких уровней отсоса. В настоящем наиболее простом примере в единственном ряде микрощелей расстояние между последовательно расположенными микрощелями составляет 400 мкм, что создает периодическую картину с периодическим интервалом 650 мкм (то есть образованным из длины микрощели, составляющей 250 мкм, и расстояния между микрощелями в продольном направлении, составляющего 400 мкм). Эта периодичность физической картины расположения перфорационных отверстий приводит к определенному спектральному распределению физической картины, а также возмущений потока, создаваемых ей, как будет рассмотрено далее.

На фиг.5 и 5А представлено сравнение спектров скоростей отсасывания для трех рядов перфорационных отверстий, которые все имеют одинаковый суммарный или средний поток массы. На фиг.5 показано схематическое изображение амплитуд скоростей потока соответственно для трех рядов перфорационных отверстий (а), (b) и (с). Ряд (а) со ссылочной позицией 700 представляет собой ряд отверстий диаметром 50 мкм с обычной геометрией отверстий, расположенных на расстоянии 0,5 мм друг от друга, с вероятностью забивания, составляющей 15%, и максимальной скоростью 1. Другими словами, незасоренные отверстия дают скорость потока, равную 1, в то время как засоренные отверстия не дают никакой скорости потока, то есть скорость потока, равную 0. Ряд (b) со ссылочной позицией 702 представляет собой ряд таких же отверстий, что и в ряде (а) 700, с обычной геометрией отверстий, но с нулевой вероятностью забивания, то есть без каких-либо засоренных отверстий. Ряд (с) со ссылочным номером 730 представляет собой ряд микрощелей согласно настоящему примеру осуществления изобретения, характеризующихся отсутствием забивания и максимальной скоростью 0,26 для каждого отверстия. Следует отметить, что больший размер микрощели по сравнению с обычными отверстиями приводит к получению той же суммарной массовой скорости воздушного потока с меньшей максимальной скоростью для каждого перфорационного отверстия. Эти результаты были получены путем усреднения 1000 конфигураций, каждая из которых имела заданные случайным образом уровни забивания, выраженные в процентах, и допуски на обработку в пределах их допустимого диапазона.

Фиг.5А представляет собой график, показывающий результат преобразования Фурье для спектров волновых чисел профилей потоков, создаваемых соответствующими рядами 700, 702 и 730, при этом соответствующие спектры обозначены соответствующими ссылочными позициями 700', 702', 730'. Как можно видеть, спектр 730' микрощелей дает приблизительно трехкратное уменьшение амплитуды при всех волновых числах в сравнении с обычной геометрией (b) 702'. Это уменьшение обусловлено более низкой максимальной скоростью потока через щели. Более важно то, что микрощели обеспечивают 30-50-кратное уменьшение амплитуды по существу при всех волновых числах по сравнению с обычной конфигурацией (а) 700', которая в большей степени характерна для реальных обычных перфорированных пластин с засорением. Таким образом, микрощели позволяют существенно минимизировать влияние допусков на прошивку отверстий и обработку, а также забивания.

Тем не менее данное уменьшение было достигнуто в настоящем примере за счет введения большого пика 732' амплитуды ( =9,66° 1/мм) в пределах полосы зоны усиленных неустойчивых режимов поперечного потока, обозначенной серой зоной на фигуре. Из-за этого пика простое, или правильное, расположение рядов микрощелей приводит к худшим рабочим характеристикам по сравнению с обычной схемой расположения, у которой первый большой пик находится вне усиленной зоны. Именно такой нежелательный пик 732' может быть и будет "удален" или "уничтожен" за счет интерференции с взаимным ослаблением согласно изобретению, как будет рассмотрено ниже. Следует отметить, что размещение микрощелей ближе друг к другу, например с периодическими интервалами 0,5 мм, приведет к смещению пика 732' амплитуды только за границу усиленного диапазона. В то время как этот интервал представляет собой опцию в данном примере (и при последующих действиях также используется данный интервал), существуют другие случаи применения ламинарного течения, в которых данная опция недоступна. Для демонстрации универсальности и высокой эффективности метода и устройства по изобретению изобретенная схема расположения перфорационных отверстий, дающая высокие показатели работы, далее будет разработана с выбранным интервалом.

При использовании основной идеи данного изобретения, а именно того, что полный результирующий спектр всей схемы расположения отверстий должен иметь по существу пренебрежимо малую энергию (свыше базового уровня "шумов") при волновых числах возмущений неустойчивого течения, потенциально вредное воздействие пика 732' при ⁺ = 9,66 1/мм будет устранено за счет преднамеренного введения другого возмущения течения посредством другого ряда микрощелей с составляющей спектра, которая будет интерферировать с взаимным усилением с нежелательным пиком 732' при соответствующей длине волны. Это осуществляется посредством создания группы рядов микрощелей, называемой здесь "пучком" 250, таким образом, что общая геометрия всего пучка, подвергнутая преобразованию Фурье, по существу не будет иметь никакой результирующей амплитуды (например, вследствие интерференции с взаимным ослаблением) при рассматриваемых в направлении течения волновых числах _r ⁺ колебаний поперечного потока с волновым числом = ⁺ в направлении вдоль размаха крыла. Следует отметить, что если наиболее усиленные колебания представляли собой бегущую волну, то было бы выбрано значение _r, соответствующее данному типу колебаний. Настоящее изобретение не ограничено установившимися типами поперечных потоков.

На фиг.3 показано, что при выборе x/c=0,0076 для данного примера, ⁺=9,66 соответствует _r ⁺=6,4 1/мм. Далее, образуя пучок 250 из небольшого числа N рядов микрощелей, например из восьми рядов, расположенных по существу вблизи в направлении хорды, и принимая точное местоположение x _n в направлении течения и фазу _n в направлении вдоль размаха крыла (и возможно ширину r_n) каждого ряда в качестве неизвестных, которые минимизирует квадрат функции преобразования, получаем:

в интервале ₁< < ₂ со средним значением, равным приблизительно _r ⁺ моды колебаний поперечного потока с = ⁺. Функция F представляет собой преобразование Фурье последовательности прямоугольных импульсов длительностью 2r, где 2r соответствует ширине микрощели. Результирующая геометрия для данного случая, приведенного в качестве примера, показана на фиг.6. Эта геометрия не является уникальной и зависит в значительной степени от метода оптимизации, используемого для минимизации . Уникальным является то, что в выбранном интервале значений энергия геометрии одного пучка 250 минимальна. В данном примере протяженность пучка 250 в направлении хорды составляет приблизительно 1,75 мм. Также возможны другие значения ширины.

Соответствующий спектр в плоскости _r- показан на фиг.7. Существенные ("сжатые") пики 1010 и 1012 спектра соответствуют пику 732' при =9,66 1/мм и пику при =19 1/мм на фиг.5А, теперь также видимым по координате . Темная линия 1002 показывает комбинацию _r- , то есть дисперсионное соотношение, для неустойчивых режимов в данном месте x (см. фиг.3). Вдоль всей этой линии 1002 амплитуда спектральных пиков 1010 и 1012 является очень низкой, что показывает, что при выбранном распределении схемы расположения перфорационных отверстий не создается по существу никаких колебательных состояний поперечного потока. Следует отметить, что линия 1002 неустойчивых режимов проходит через "впадину" в гребне или пике 1010 спектра. Эта "впадина" образована за счет преднамеренной интерференции с взаимным ослаблением при данной комбинации волновых чисел посредством надлежащего проектирования и выбора схемы расположения перфорационных отверстий, отдельные спектральные воздействия которой интерферируют друг с другом. В данном примере, как показано на фиг.5А и 7, цель изобретения, состоящую в обеспечении по существу отсутствия энергии или пренебрежимо малой энергии при соответствующих выбранных длинах волн, можно, следовательно, понимать как означающую то, что вдоль линии 1002 дисперсионного соотношения в пространстве Фурье отсутствуют какие-либо пики амплитуды волновых чисел с величиной амплитуды, более чем в десять раз (например) превышающей итоговую среднюю амплитуду спектрального интервала, дважды перекрывающего диапазон неустойчивости волновых чисел. Таким образом, на фиг.5А можно видеть, что пик 732' более высокой неприемлемой амплитуды должен быть устранен для достижения цели изобретения.

Более точно, ссылочные позиции 1010 и 1012 обозначают составляющие энергетических длин волн, относящихся к определенной геометрии пучка или схеме расположения перфорационных отверстий или возникающих из-за определенной геометрии пучка или схемы расположения перфорационных отверстий. Диапазон значений , обозначенный ссылочной позицией 1000, охватывает значения , для которых режимы установившихся поперечных потоков являются неустойчивыми в месте расположения выбранного пучка, и линия 1002 в частности обозначает соответствующее волновое дисперсионное соотношение, например, согласно фиг.3. Как показано провалом на кривой энергии в составляющей 1010 спектра в месте у пересечения с линией 1002 дисперсионного соотношения, пространственный спектр данного пучка характеризуется по существу отсутствием энергии (свыше базового уровня "шумов") при этой выбранной или заранее определенной длине волны. Эти заранее заданные длины волн выбраны так, чтобы они соответствовали длинам волн заранее определенных неустойчивостей течения, возникающих в пограничном слое над соответствующим пучком в условиях полета на крейсерской скорости. В результате интерференции с взаимным ослаблением согласно изобретению таким образом, что при выбранных, заранее определенных длинах волн неустойчивостей течения не будет по существу никакой энергии, воздействие отсасывающей силы через перфорационные отверстия будет приводить к минимальному возбуждению неустойчивостей в течении пограничного слоя над перфорированной обшивкой.

Как известно специалистам в данной области техники, коэффициент восприимчивости (receptivity coefficient) представляет собой коэффициент, который связывает амплитуду пространственного спектра распределения отсасывания с поверхности с амплитудой пространственного спектра возмущений в воздушном течении пограничного слоя, вызванных распределением отсасывания. Простота вышеприведенного выражения (2) обусловлена предположением, заключающимся в том, что коэффициент восприимчивости является постоянным на всей протяженности каждого отдельного пучка в направлении хорды, но может варьироваться от пучка к пучку. Степень этого приближения становится более высокой по мере уменьшения как ширины отдельных пучков, так и средней отсасывающей силы. Как правило, для дополнительного гарантирования того, что отсутствие энергии при заранее определенных длинах волн будет иметь место в результате интерференции с взаимным ослаблением при данных длинах волн между возмущениями в потоке, создаваемом за счет отсасывания через перфорационные отверстия, дополнительную оптимизацию схемы расположения перфорационных отверстий в пределах пучка выполняют для каждого отдельного пучка путем использования в качестве нормы спектра возмущений за пучком по ходу потока, получаемого в результате решения уравнений движения, при этом уравнения предпочтительно используются в линеаризованной форме для упрощения вычислений. Оптимизированная схема расположения по-прежнему будет обеспечивать по существу пренебрежимо малую энергию при заранее заданных длинах волн. После оптимизации каждого пучка самого по себе возможна дальнейшая оптимизация общей картины расположения множества пучков за счет смещения в направлении вдоль размаха крыла одного или нескольких соответствующих пучков относительно друг друга для обеспечения дополнительной интерференции с взаимным ослаблением между любыми оставшимися возмущениями потока за каждым пучком по ходу потока. Другими словами, в изобретении может использоваться не только интерференция с взаимным ослаблением для условий течения, созданных соответствующими перфорационными отверстиями данного одного пучка, но также интерференция с взаимным ослаблением между любыми возмущениями потока, остающимися за данным пучком по ходу потока, и структурой потока, создаваемого последующими, расположенными далее по ходу потока пучками или пучком.

Геометрия щелей для другого варианта осуществления изобретения, в котором щели 201 наклонены под заранее заданным углом относительно направления локального свободного потока и под выбранным косым углом относительно продольного направления пучка 250, показана на фиг.6А. Фиг.7А показывает соответствующий спектр с заданным отсутствием энергии в интервале ₁< < ₂. Щели, ориентированные вдоль направления или параллельно направлению свободного потока, создают наименьшую "лобовую поверхность" для набегающего потока, в результате чего они обеспечивают возможность использования более высокой степени отсасывания до того, как будет иметь место "чрезмерный отсос". Щели, ориентированные по существу нормально к линии потенциального обтекания (безвихревого течения), дают меньшие длины волн в направлении потока. То, какой вариант из двух является предпочтительным, зависит от фактических параметров потока. При больших числах Рейнольдса, следовательно, при тонких пограничных слоях, предпочтительным является последний вариант. При меньших числах Рейнольдса предпочтительным является первый вариант. На фиг.10 показано расположение нескольких параллельных пучков 250 у передней кромки 50 и рядом с передней кромкой 50, при этом каждый пучок имеет микрощели, ориентированные по существу нормально к локальной линии 60 обтекания потенциального потока, такие как микрощели, показанные со ссылочными позициями 202, 203, 204. Когда зона передней кромки будет наиболее неустойчивой для бегущих волн (например, колебания Gortler-Haemerlin), в спектре пучка в зоне передней кромки будет по существу отсутствовать амплитуда при пространственных волновых числах, соответствующих данным видам колебаний.

Кроме того, следует отметить в связи с фиг.6В, что главный признак настоящего изобретения, а именно интерференция с взаимным ослаблением между рядами или группами надлежащим образом расположенных перфорационных отверстий, также может быть реализован при использовании форм отверстий, отличных от удлиненных или продолговатых микрощелей. Например, на фиг.6В показана схема расположения круглых отверстий 205, которые в альтернативном варианте могут быть использованы в пучке 250 для обеспечения заданной интерференции с взаимным ослаблением. Таким образом, именно выбранная схема расположения и форма перфорационных отверстий в каждом пучке имеют наиболее важное значение. Тем не менее, поскольку небольшие круглые отверстия 205 будут более подвержены забиванию и ошибкам при обработке, как было рассмотрено выше, удлиненная форма микрощели является предпочтительной согласно изобретению.

Отсутствие амплитуды в интервале ₁< < ₂ делает соседние пучки 250 функционально по существу независимыми, так что добавление "клонированного" пучка к любой из двух сторон данного пучка по-прежнему будет обеспечивать способность любого пучка к минимизации и не будет приводить к снижению данной способности. Это представляет собой важное и основное свойство пучков и следует непосредственно из способности преобразований Фурье к смещению. То есть, если предположить, что x=0 представляет собой местоположение первого пучка, то вклад в функцию F преобразования Фурье от второго пучка с аналогичным интервалом минимизированных амплитуд (то есть ₁< < ₂) и расположенного на расстоянии x за первым пучком по ходу потока просто представляет собой величину exp(-i x), умноженную на результат преобразования первого пучка. Поскольку амплитуда данной функции преобразования близка к нулю в интервале ₁< < ₂, вклад в F от второго пучка близок к нулю в этом диапазоне волновых чисел. Таким образом, два пучка функционально независимы при генерации колебаний поперечных потоков.

Кроме того, поскольку интервал значений , в котором имеет место минимизация амплитуды, изменяется плавно и медленно в направлении хорды по сравнению с шириной пучка, соседние пучки всегда будут делить большую часть их минимизированного интервала значений и не будут оказывать влияния друг на друга. Следовательно, существует возможность после проектирования схемы расположения перфорационных отверстий пучка просто "уложить" пучок за пучком в выбранных местах для образования полной системы расположения с заданной пористостью.

Как будет рассмотрено ниже более конкретно, отсасываемая часть потока создается через перфорационные отверстия за счет приложения отсасывающей силы к камере под перфорированной обшивкой. Статическое давление в камере под перфорированной обшивкой не является пространственно постоянным из-за конструктивных преград, стоячих волн и т.д. Как показано ниже, оценка длин волн этой пространственной неравномерности дает величину ₁ и ₂ для интервала ₁< < ₂ минимизации.

Распределение v_wall(x,z) скоростей отсасывания пропорционально квадратному корню из перепада давлений p(x,z) на перфорированной панели, умноженному на геометрические характеристики hole(x,z) отверстия. Поскольку пучок является узким в направлении x, изменениями в данном направлении можно пренебречь, и поскольку изменения p в пространстве малы по амплитуде по сравнению со средним значением, квадратный корень разлагают в ряд для получения

Каждое произведение соответствует свертке в пространстве волновых чисел

Первый член с правой стороны уравнения представляет собой член, который был рассмотрен выше. Второй член приводит к уширению спектра каждого компонента Фурье геометрических характеристик. Чем более локализовано изменение p₁( ) в пространстве, тем больше уширение. Предположим, что, например, вариация давления отсасывания имеет очень локализованное нормальное распределение с величиной , равной пяти сантиметрам. Тогда p₁( ) имеет значительные амплитуды (то есть свыше 2% от максимального значения) до =+/- 0,5 1/мм, что вызывает уширение спектра +/- 0,5 при пике =9,66 геометрических характеристик в данном примере. При использовании фиг.3 для поиска соответствующего изменения _r можно установить, что оно составляет приблизительно +/- 0,4 1/мм в выбранном месте x/c=0,0076. Таким образом, минимизация по должна выходить за +/- 0,4 от центрального значения _r ⁺=6,4 для получения 6,0< <7,2. На фиг.7 уширение относительно соотношения _r- для колебания поперечного потока (темная линия 1002) будет представлять собой полосу, проходящую вдоль линии 1002. Следует отметить, что спектр данной оптимизированной схемы расположения будет по существу нулевым на такой полосе вдоль линии 1002, что приводит к заданной нечувствительности схемы расположения к пространственным колебаниям уровня давления в камере.

Далее приводится непосредственное сравнение обычной схемы расположения и одного оптимизированного пучка. Обычная схема расположения представляет собой прямоугольную зону шириной 7 мм в направлении x и периодическим интервалом в направлении z, в которой отверстия диаметром 70 мкм расположены в шахматном порядке с максимальным расстоянием между отверстиями, составляющим 0,5 мм, как показано в верхней части фиг.8, при этом некоторые отверстия забиты. Оптимизированный пучок такой же, как рассмотренный выше, и показан в верхней части фиг.9. Обе схемы расположения отверстий имеют одинаковую общую площадь пропускного сечения, следовательно, приблизительно одинаковый поток массы при заданном перепаде давлений и по существу одинаковые максимальные скорости отсасывания. Допуски на прошивку отверстий и механическую обработку составляют соответственно 15 и 20 мкм, и обычная схема расположения имеет случайное число засоренных отверстий, не превышающее 10% от общего числа отверстий. На фиг.8 показана геометрия и соответствующий пространственный спектр для обычной схемы расположения, а на фиг.9 представлена такая же информация для "настроенного" пучка по изобретению. Амплитуда спектров представлена в масштабе для лучшей демонстрации величин в интервале неустойчивых волновых чисел. Следует отметить, что оба графика имеют одинаковые граничные значения.

Из этих двух фигур становится ясно, что оптимизированная схема расположения отверстий по изобретению, представленная на фиг.9, приводит к значительно меньшему нагнетанию в интервале неустойчивых волновых чисел вдоль линии 1002 при одинаковом среднем потоке массы по сравнению с обычной схемой расположения, показанной на фиг.8, и поэтому оптимизированная схема может быть справедливо охарактеризована как схема расположения с хорошими рабочими характеристиками.

С учетом вышеприведенного рассмотрения разработки и описания предпочтительных признаков изобретения далее будет рассмотрен конкретный пример использования. Фиг.10 представляет собой схематичный вид в перспективе части зоны передней кромки аэродинамического профиля 40, такого как несущее крыло, элемент поверхности управления, стабилизатор, киль (вертикальный стабилизатор) или т.п. летательного аппарата, в качестве типичного аэродинамического тела 40. Аэродинамический профиль 40 включает в себя перфорированную наружную обшивку 100, которая, в частности, выполнена с проходящими линейно группами или пучками 250 рядов перфорационных отверстий 200 согласно изобретению. Как можно видеть, все пучки 250 рядов перфорационных отверстий проходят в продольном направлении параллельно передней кромке 50, то есть параллельно направлению z вдоль размаха крыла, и расположены на определенном расстоянии друг от друга в направлении x хорды. Таким образом, соответствующие неперфорированные зоны поверхности предусмотрены между соседними пучками из пучков 250 рядов перфорационных отверстий и отделяют соседние пучки 250 рядов перфорационных отверстий друг от друга.

В каждом пучке 250 схема расположения и параметры перфорационных отверстий, например длина, ширина, форма, расстояние между перфорационными отверстиями, ориентация, периодичность, шахматный порядок расположения, пористость (отношение площади пропускного сечения перфорационных отверстий к общей площади), количество рядов, группирование рядов и расстояние между рядами перфорационных отверстий в данном пучке, оптимизированы в соответствии с принципами изобретения, рассмотренными выше. А именно, схема расположения и параметры перфорационных отверстий данного пучка заданы такими, что пучок будет иметь пространственный спектр, который характеризуется по существу отсутствием энергии (свыше среднего энергетического уровня "шумов") при заранее определенных длинах волн, так что возмущения в потоке, возникающие за счет отсасывания через перфорационные отверстия, гасят друг друга за пучком по ходу потока вследствие интерференции возмущений потока с взаимным их ослаблением при заранее определенных длинах волн. Таким образом, энергия возбуждения пространственного спектра, связанного с соответствующим пучком, может быть сведена к минимуму, в частности, при создающих наибольшие проблемы длинах волн, то есть длинах волн заранее определенных неустойчивостей потока, которые в противном случае возникают в пограничном слое над пучком в условиях полета летательного аппарата, содержащего рассматриваемый аэродинамической профиль 40, на крейсерской скорости. Эти длины волн представляют собой, в частности, длины волн, при которых режимы поперечных потоков в течении пограничного слоя являются неустойчивыми в месте расположения выбранного пучка в направлении хорды, например, как описано с помощью соответствующего дисперсионного соотношения, например, в связи с фиг.3.

В то время как микрощели 200 данного пучка 250 в основном и предпочтительно ориентированы так, что все их длинные оси параллельны друг другу, микрощели разных пучков могут иметь разные ориентации. Как в целом было рассмотрено выше, вследствие того что передняя кромка 50 аэродинамического профиля 40 расположена под углом прямой стреловидности, набегающий воздушный поток присоединяется вдоль передней кромки 50, и линии обтекания потока за пределами пограничного слоя (потенциальный поток), которые сталкиваются с аэродинамическим профилем 40 в стороне от передней кромки 50, вызывают создание криволинейной траектории 60 воздушного потока. Как также было рассмотрено выше, в зависимости от конкретных параметров потока для данного аэродинамического профиля преимущества могут быть достигнуты путем ориентирования микрощелей 200 данного пучка 250 так, что длинные оси микрощелей будут по существу перпендикулярны направлению локального свободного потока, как показано линией 60 свободного потока.

Таким образом, как показано на соответствующих увеличенных, детально изображенных участках фиг.10, микрощели 202 пучка 250, расположенного непосредственно вдоль передней кромки 50, ориентированы по существу перпендикулярно продольному направлению данного пучка и перпендикулярно локальному свободному потоку, в то время как микрощели 203 и 204 пучков, расположенных последовательно дальше от передней кромки 50, ориентированы под соответствующими косыми углами относительно продольного направления протяженности данного пучка 250 так, что соответствующие микрощели пучка будут по существу перпендикулярны к линии 60 свободного потока в данном месте в направлении хорды. Как было рассмотрено выше, для достижения различных преимуществ при различных параметрах потока в качестве альтернативы микрощели могут быть расположены иначе, то есть так, что их длинные оси будут по существу параллельны направлению 60 локального свободного потока.

Полная конструкция аэродинамического профиля 40 дополнительно рассмотрена в связи с фиг.11. Как показано на фиг.11, перфорированная обшивка 100 должна иметь конструктивную опору в виде расположенной под ней, поддерживающей конструкции, которая в данном случае включает в себя продольные нервюры 300, конструктивно объединенные с наружной обшивкой, например присоединенные к наружной обшивке 100. Нервюры 300 проходят по существу параллельно передней кромке 50 аэродинамического профиля 40, следовательно, также параллельно пучкам 250 рядов перфорационных отверстий. Соответственно, просто по конструктивным соображениям следует обеспечить то, что продольные нервюры 300 будут проходить в продольном направлении под обшивкой 100 в неперфорированных зонах между соседними пучками 250 рядов перфорационных отверстий. Тем самым перфорированная наружная обшивка 100 будет конструктивно опираться на нервюры 300, и при этом нервюры 300 не будут перекрывать никаких перфорационных отверстий 200 из пучков 250 и не будет ухудшать или сильно воздействовать на определенные заданные характеристики потоков заданного пространственного спектра каждого пучка. Другими словами, характеристики потоков, обеспечиваемые каждым пучком, могут быть определены без учета конструктивной опоры, необходимой для аэродинамического профиля, при условии, что силовые нервюры 300 расположены в этом случае в неперфорированных зонах обшивки между соседними пучками 250. Это позволяет преодолеть серьезную проблему, связанную с конструкциями по известному уровню техники, в которых ранее выполненные перфорационные отверстия или перекрывались расположенными под ними силовыми нервюрами, или возникала необходимость в выполнении прерывистой схемы расположения заданных перфорационных отверстий, что, само собой разумеется, приводит к существенному ухудшению заданных характеристик потока, достигаемых с помощью обычных схем расположения отверстий.

Кроме того, обшивка 100 и силовые нервюры 300 могут быть присоединены друг к другу любым обычным известным пригодным образом, например путем сварки или путем склепывания кромок. Тем не менее предпочтительно наружная обшивка 100 может быть легко изготовлена за одно целое с силовыми нервюрами 300 путем экструзии их в один канал. Предварительно спроектированные схемы расположения перфорационных отверстий, образующих пучки 250, любым известным образом формируют на экструдированном элементе путем его обработки.

На фиг.12 схематично показано дальнейшее усовершенствование общей конструкции типичного аэродинамического профиля 40. Помимо элементов, показанных и рассмотренных в связи с фиг.11, вариант осуществления по фиг.12 дополнительно включает в себя внутренний перфорированный элемент 400, такой как перфорированная внутренняя пластина 400, которая приварена, приклепана, приклеена к продольным нервюрам 300 или конструктивно объединена с ними любым другим образом для образования соответствующих каналов 420 для прохода воздуха между наружной обшивкой 100 и внутренним пластинообразным элементом 400. В частности, каждый канал 420 ограничен наружной обшивкой 100, внутренним пластинообразным элементом 400 и соответствующими соседними нервюрами из нервюр 300. Этот внутренний пластинообразный элемент 400 служит для выполнения двух важных функций. Во-первых, внутренний пластинообразный элемент 400 вместе с нервюрами 300 и наружной обшивкой 100 образует прочную жесткую коробчатую балочную конструкцию с высокой удельной прочностью. Во-вторых, каналы 420 для прохода воздуха, образованные за счет обеспечения наличия внутреннего пластинообразного элемента 400, могут быть использованы для управления отсасыванием или потоком для отсасывания, подаваемым к каждой соответствующей группе пучков 250 рядов перфорационных отверстий в пределах интервала аэродинамического профиля в направлении хорды, ограниченного соответствующим одним из каналов 420 для прохода воздуха между соседними нервюрами из силовых нервюр 300. Поток для отсасывания "подводится" посредством любого обычного известного устройства 600 для создания отсасывающей силы к общей камере 500 под пластинообразным элементом 400, и затем распределяется необходимым образом через отверстия 450 пластинообразного элемента 400 к отдельным каналам 420, как будет рассмотрено более подробно.

Как в целом было рассмотрено выше, проблемы чрезмерного отсоса, связанные с избыточными скоростями отсасываемой части потока, проходящей через определенные перфорационные отверстия, могут быть вызваны изменением внешнего давления в направлении течения, действующего локально на аэродинамический профиль 40. Таким образом, если постоянное и равномерное давление отсасывания или вакуумметрическое давление подается ко всей нижней стороне перфорированной обшивки 100, то перепад давлений в любом заданном перфорационном отверстии будет зависеть от внешнего давления и будет меняться вместе с внешним давлением. Для простоты и надежности желательно обеспечить одно постоянное давление в камере отсоса, но также предпочтительно компенсировать изменение перепада давлений в направлении течения с тем, чтобы получить управляемый и заданный отсасываемый поток массы для всех перфорационных отверстий вдоль всех перфорированных зон обшивки. Настоящее изобретение может обеспечить компенсацию изменения давления в направлении течения тремя способами, при этом каждый из способов предусматривает использование свойство независимости соответствующих пучков: во-первых, путем изменения пористости соответствующих пучков в направлении по потоку, во-вторых, путем изменения соответствующей опорной конструкции и, в частности, перфорированного внутреннего пластинообразного элемента 400 и, в-третьих, с помощью комбинации предыдущих двух возможностей.

Вспомогательные перфорационные отверстия или отверстия 450 внутреннего пластинообразного элемента 400 обеспечивают сообщение между каждым каналом 420 для прохода воздуха и одной открытой зоной 500 камеры под внутренним пластинообразным элементом 400. Ширина (то есть протяженность в направлении хорды) каждого канала 420 является достаточно малой между последовательно расположенными нервюрами 300, так что изменение внешнего давления на ширине любого одного канала 420 и соответствующей группе пучков 250 будет небольшим. Отсасываемый воздух из пограничного слоя проходит через перфорационные отверстия 200 в наружной обшивке 100 по высоте соответствующего канала 420, обеспечивающего сообщение, и затем через вспомогательные перфорационные отверстия 450 внутреннего перфорированного пластинообразного элемента 400 для входа во внутреннюю воздушную камеру 500, в которой поддерживается по существу постоянное и равномерное давление отсасывания или вакуумметрическое давление с помощью устройства 600 для создания отсасывающей силы. Устройство 600 для создания отсасывающей силы, камера 500 и каналы 420 для прохода воздуха по отдельности или совместно могут рассматриваться как образующие систему отсасывания.

В зоне каждого соответствующего отдельного канала 420 внутренний перфорированный пластинообразный элемент 400 имеет заранее определенную пористость, обеспечиваемую вспомогательными перфорационными отверстиями 450, для достижения заданного эффекта дросселирования с целью управления давлением отсасывания и отсасываемой частью потока через соответствующий канал 420. В частности, заранее определенная пористость, обеспечиваемая вспомогательными перфорационными отверстиями 450 внутреннего пластинообразного элемента 400, такова, что суммарное аэродинамическое сопротивление, создаваемое основными перфорационными отверстиями 200 наружной обшивки 100 вдоль данного определенного канала 420 для прохода воздуха, в сумме с аэродинамическим сопротивлением вторых перфорационных отверстий 450, выполненных во внутреннем пластинообразном элементе 400 в зоне данного канала 420, обеспечивает заданную скорость потока в конкретном рассматриваемом месте в направлении хорды. А именно, пористость внутренней пластины изменяется от канала к каналу точно так, как требуется для нейтрализации изменений внешнего давления. Схема расположения вспомогательных перфорационных отверстий 450 во внутреннем пластинообразном элементе 400 может быть выбрана относительно свободно в сравнении с изобретенными схемами расположения перфорационных отверстий 200 в наружной обшивке 100, поскольку внутренний пластинообразный элемент 400 не подвергается воздействию параметров потока [условий] в наружном пограничном слое. Кроме того, продольные нервюры 300 предпочтительно имеют высокую теплопроводность и будут проводить тепло из внутренней камеры 500 к наружной обшивке 100.

Кроме того, может быть обеспечено избирательное вдувание теплого воздуха во внутреннюю камеру 500, который будет выдуваться наружу через перфорационные отверстия 200 в наружной обшивке 100 для создания теплового потока к наружной обшивке 100, который может предотвратить или способствовать удалению льда, намерзающего на поверхности наружной обшивки. Само собой разумеется, эта операция, выполняемая с помощью конструкции по изобретению, может быть выполнена в то время, когда не требуется управление пограничным слоем посредством отсасывания.

Следует также отметить, что ширина каждого пучка 250 и ширина каждого канала 420 могут изменяться или медленно уменьшаться в направлении длины вдоль размаха крыла для приспосабливания к медленному изменению параметров потенциального потока и течения в пограничном слое в направлении вдоль размаха крыла в слабо конических потоках, таких как те, которые имеются вдоль сужающихся несущих поверхностей, подобных крыльям, стабилизаторам и килям летательного аппарата.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Конструкция по настоящему изобретению, включающая в себя перфорированную обшивку для оказания воздействия на течение текучей среды в пограничном слое или управления течением текучей среды в пограничном слое вдоль поверхности, в особенности применима для наружной обшивки элементов с аэродинамическим профилем, таких как несущие крылья, стабилизаторы, кили, поверхности управления и поверхности забора воздуха летательного аппарата. Кроме того, конструкция по изобретению применима для любой другой ситуации, предусматривающей наличие имеющего относительно высокую скорость потока текучей среды в пограничном слое вдоль поверхности. Например, схемы расположения перфорационных отверстий по изобретению могут использоваться для поверхностей аэродинамических труб с целью уменьшения или устранения возмущений потока. Также возможны случаи применения в гидродинамике.